Страница 174 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

47.36 [1196] Чтобы сообщить электроскопу как можно больший отрицательный заряд, нужно не просто коснуться эбонитовой палочкой шарика электроскопа, а провести по нему палочкой несколько раз, вращая её вокруг продольной оси. Объясните почему.

Решение

Данное явление объясняется различием в свойствах проводников и диэлектриков (изоляторов).

1. Эбонитовая палочка является диэлектриком. Это означает, что избыточные электроны (отрицательный заряд), полученные ею, например, при трении о шерсть, не могут свободно перемещаться по всей ее поверхности. Заряд остается локализованным в тех местах, где он был создан.

2. Шарик и стержень электроскопа изготовлены из металла, который является проводником. В проводниках заряды могут свободно перемещаться.

При простом касании заряженной палочкой шарика электроскопа, на шарик переходит только та часть отрицательного заряда, которая находится непосредственно в точке контакта. Электроны с других участков поверхности палочки не могут переместиться к месту контакта из-за очень низкой проводимости эбонита. Передача заряда быстро прекращается, как только электрический потенциал шарика сравняется с потенциалом палочки в точке касания. В результате электроскоп получает лишь малую долю всего заряда палочки.

Когда мы проводим палочкой по шарику несколько раз, вращая её, мы последовательно приводим в контакт с шариком всё новые и новые заряженные участки поверхности палочки. С каждого такого участка на проводящий шарик переходит порция заряда. Этот заряд мгновенно перераспределяется по всему электроскопу. Таким образом, мы как бы "собираем" заряд с гораздо большей площади поверхности диэлектрической палочки, передавая его на проводник. В результате суммарный заряд, сообщенный электроскопу, оказывается значительно больше.

Ответ: Эбонитовая палочка является диэлектриком, и избыточный заряд на ней не может свободно перемещаться. При однократном касании передается заряд только с небольшой области контакта. Когда палочкой проводят по шарику электроскопа (проводнику), вращая ее, в контакт приводятся различные заряженные участки палочки, что позволяет передать на электроскоп гораздо больший суммарный заряд.

47.37 [1197] Почему рекомендуется в опытах по электростатике различные наэлектризованные тела подвешивать не на простых, а на шёлковых нитях? (Оборудование следует держать сухим.)

Решение

В экспериментах по электростатике основной задачей является изучение взаимодействия статических электрических зарядов. Для этого необходимо, чтобы заряды на исследуемых телах сохранялись как можно дольше. Если заряженное тело будет соприкасаться с проводником, заряд с него стечёт, и эксперимент будет невозможен. Поэтому для изоляции заряженных тел от окружающих предметов их подвешивают на нитях.

Требование к материалу нити — он должен быть хорошим электрическим изолятором (диэлектриком), то есть не проводить электрический ток.

Сравним свойства шёлковых и «простых» нитей:

• Шёлковая нить. Шёлк — это материал животного происхождения (белок фиброин), который является отличным диэлектриком. Он обладает очень высоким удельным сопротивлением и плохо проводит электрический заряд.
• Простая нить. Под «простыми» нитями обычно подразумевают нити растительного происхождения, например, хлопчатобумажные или льняные. Эти материалы состоят из целлюлозы и обладают свойством гигроскопичности — они активно поглощают водяные пары из воздуха. Молекулы воды, особенно при наличии в них растворённых солей (которые всегда присутствуют в воздухе и на поверхностях), значительно повышают электропроводность материала. Таким образом, влажная хлопковая нить становится проводником, и заряд с подвешенного тела будет быстро стекать через нить на штатив и далее в окружающую среду.

Указание в скобках «Оборудование следует держать сухим» прямо указывает на проблему, связанную с влажностью. Влажный воздух и влажные поверхности способствуют утечке зарядов. Использование шёлковых нитей, которые в меньшей степени поглощают влагу и сами по себе являются превосходным изолятором, позволяет свести утечку заряда к минимуму и обеспечить «чистоту» эксперимента.

Ответ: Шёлковые нити рекомендуется использовать потому, что шёлк является очень хорошим электрическим изолятором (диэлектриком). В отличие от простых нитей (например, хлопковых), которые гигроскопичны (впитывают влагу из воздуха) и из-за этого становятся проводниками электричества, сухая шёлковая нить надёжно изолирует наэлектризованное тело, предотвращая быструю утечку заряда. Это является критически важным условием для проведения достоверных опытов по электростатике.

47.38 [1199] Для чего к корпусу автоцистерны, предназначенной для перевозки бензина, прикреплена массивная цепь, несколько звеньев которой волочатся по земле?

При движении автоцистерны с бензином происходит накопление статического электричества. Это явление, называемое трибоэлектризацией, возникает по нескольким причинам:

• Трение шин автомобиля о поверхность дороги.
• Трение потоков воздуха о корпус цистерны.
• Трение и перемешивание самого бензина (который является диэлектриком) о внутренние стенки металлической цистерны.

В результате этих процессов на корпусе автоцистерны накапливается значительный статический электрический заряд. Это создает большую разность потенциалов между цистерной и землей. Бензин — легковоспламеняющаяся жидкость, а его пары в смеси с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Если накопленный заряд достигнет критической величины, может произойти электрический разряд (искра). Эта искра способна воспламенить пары бензина, что приведет к катастрофическим последствиям — пожару или взрыву.

Чтобы предотвратить эту опасность, автоцистерну необходимо заземлить, то есть обеспечить непрерывный отвод статического заряда в землю. Для этой цели и служит массивная металлическая цепь. Одним концом она прикреплена к металлическому корпусу цистерны, а другой её конец с несколькими звеньями постоянно касается земли, волочась по ней. Таким образом, цепь создает постоянный электрический контакт между цистерной и землей. Весь накапливающийся статический заряд безопасно стекает через цепь в землю, потенциал которой условно принимается за ноль. Это предотвращает накопление заряда до опасного уровня и исключает возможность возникновения искрового разряда.

Ответ: Массивная цепь прикреплена к корпусу автоцистерны для заземления. Во время движения из-за трения на корпусе накапливается статический электрический заряд. Поскольку бензин и его пары легко воспламеняются, искра от статического разряда может вызвать пожар или взрыв. Металлическая цепь, волочащаяся по земле, обеспечивает непрерывный отвод этого заряда в землю, предотвращая его опасное накопление и обеспечивая пожарную безопасность.

47.39 [1200] Почему нижний конец молниеотвода нужно закапывать поглубже, где слои земли всегда влажные (рис. VII-15)?

Рис. VII-15

Решение

Молниеотвод, или громоотвод, предназначен для защиты зданий от прямого удара молнии. Его работа основана на принципе создания безопасного пути для электрического разряда в землю. Система молниеотвода состоит из молниеприемника, который устанавливается на самой высокой точке здания, токоотвода, соединяющего молниеприемник с землей, и заземлителя — металлического проводника, закопанного в землю.

Главная задача заземлителя — обеспечить эффективный отвод электрического заряда молнии в землю. Молния — это гигантский электрический разряд, характеризующийся огромной силой тока (десятки тысяч ампер) и высоким напряжением. Чтобы этот ток безопасно "утек" в землю, не повредив здание, путь, по которому он пойдет, должен обладать очень малым электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление зависит от свойств материала. Сухая земля является плохим проводником электричества, то есть имеет высокое удельное сопротивление. Вода, особенно с растворенными в ней солями (которые всегда есть в почве), является хорошим проводником. Следовательно, влажная почва имеет значительно меньшее электрическое сопротивление, чем сухая.

Верхние слои грунта подвержены высыханию в летний период и промерзанию зимой (лед, как и сухая почва, — плохой проводник). Это приводит к значительному увеличению сопротивления заземления, что делает его неэффективным. Если сопротивление заземлителя будет слишком большим, разряд молнии может пойти по другому, нежелательному пути с меньшим сопротивлением — например, через арматуру в стенах здания, водопроводные трубы или электропроводку, что приведет к разрушениям, пожару и смертельной опасности для людей внутри.

На определенной глубине слои земли почти всегда остаются влажными, независимо от погодных условий на поверхности. Закапывая нижний конец молниеотвода (заземлитель) в эти глубокие, влажные слои, обеспечивается стабильно низкое сопротивление заземления в любое время года. Это гарантирует, что молния выберет именно этот, самый легкий путь в землю, и весь заряд будет безопасно рассеян в ней.

Ответ: Нижний конец молниеотвода нужно закапывать поглубже во влажные слои земли для того, чтобы обеспечить как можно меньшее электрическое сопротивление в цепи отвода заряда молнии. Влажная земля является хорошим проводником тока (имеет низкое удельное сопротивление) по сравнению с сухой землей. Создание пути с низким сопротивлением гарантирует, что мощный электрический разряд молнии безопасно уйдет в землю, минуя защищаемое здание.

48.1 [д. 136] Два электрических заряда взаимодействуют с некоторой силой. Какое из утверждений верно?

1) Один заряд действует на другой заряд.

2) Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот.

3) Поле одного заряда действует на поле другого заряда.

Согласно современной физической концепции близкодействия, электрическое взаимодействие осуществляется не мгновенно на расстоянии, а через посредника — электромагнитное поле. Каждый электрический заряд создаёт в окружающем его пространстве электрическое поле. Это поле, в свою очередь, действует на любой другой заряд, помещённый в него.

Проанализируем предложенные варианты ответа:

1) Один заряд действует на другой заряд.

Это утверждение соответствует устаревшей теории дальнодействия, которая предполагала прямое и мгновенное взаимодействие тел на расстоянии без участия какой-либо среды. Современная физика описывает взаимодействие через поля, поэтому это утверждение является неполным и не отражает физическую сущность процесса.

2) Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот.

Это утверждение полностью соответствует теории близкодействия. Первый заряд создает электрическое поле. Это поле распространяется в пространстве и действует на второй заряд с некоторой силой. Одновременно второй заряд создает своё собственное электрическое поле, которое действует на первый заряд. Это наиболее точное описание механизма электростатического взаимодействия.

3) Поле одного заряда действует на поле другого заряда.

Это утверждение неверно. Для электрических полей в классической электродинамике справедлив принцип суперпозиции. Это означает, что поля, созданные разными зарядами, в одной и той же точке пространства просто складываются (векторно), не взаимодействуя друг с другом. Сила возникает при действии поля именно на заряд, а не на другое поле.

Таким образом, верным является утверждение под номером 2.

Ответ: 2.

48.2 [Д. 137] Обладает ли электрическим полем кусочек янтаря, найденный на берегу моря? Будет ли он притягивать лёгкие кусочки бумаги?

Решение

Обладает ли электрическим полем кусочек янтаря, найденный на берегу моря?

Электрическое поле создается электрическими зарядами. Для того чтобы макроскопическое тело, такое как кусочек янтаря, создавало вокруг себя заметное электрическое поле, оно должно обладать нескомпенсированным (избыточным) электрическим зарядом. Тела приобретают заряд, как правило, в результате электризации, например, трением. Так, янтарь, потёртый о шерсть, приобретает отрицательный заряд и создает вокруг себя электрическое поле.

Однако в условии задачи указано, что кусочек янтаря найден на берегу моря. Морской воздух обладает повышенной влажностью. Молекулы воды, содержащиеся в воздухе, являются полярными и способствуют стеканию (нейтрализации) статического заряда с поверхности тел. Кроме того, если янтарь находился в контакте с влажным песком или морской водой (которая является хорошим проводником из-за растворенных солей), любой заряд, который мог на нем возникнуть, был бы быстро нейтрализован. Поэтому можно сделать вывод, что такой кусочек янтаря будет электрически нейтральным. Электрически нейтральное тело не создает вокруг себя результирующего внешнего электрического поля, так как поля положительных и отрицательных зарядов внутри него взаимно скомпенсированы.

Ответ: Нет, кусочек янтаря, найденный на берегу моря, с большой вероятностью будет электрически нейтральным и, следовательно, не будет обладать макроскопическим электрическим полем.

Будет ли он притягивать лёгкие кусочки бумаги?

Притяжение легких незаряженных предметов (например, кусочков бумаги) — это следствие наличия у тела электрического заряда. Когда заряженное тело подносят к нейтральному диэлектрику (бумаге), происходит явление электростатической индукции (поляризации). В молекулах бумаги происходит смещение зарядов: к заряженному телу притягиваются заряды противоположного знака, а отталкиваются — одноименного. В результате сторона бумаги, ближняя к заряженному телу, приобретает заряд противоположного знака, а дальняя — того же знака. Так как сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния, сила притяжения к ближайшей стороне оказывается больше силы отталкивания от дальней. Это и создает результирующую силу, притягивающую кусочек бумаги к заряженному телу.

Поскольку, как было определено в предыдущем пункте, янтарь с берега моря электрически нейтрален, он не сможет вызвать поляризацию в кусочках бумаги и создать силу притяжения. Чтобы янтарь начал притягивать бумагу, его необходимо наэлектризовать (например, потереть о сухую шерстяную или шёлковую ткань).

Ответ: Нет, он не будет притягивать лёгкие кусочки бумаги, потому что он электрически нейтрален.

48.3 [д. 138] Почему под действием электрического поля наэлектризованная палочка притягивает к себе лёгкую полоску незаряженной металлической фольги? Ведь в электрически нейтральной фольге в равной мере присутствуют как положительный, так и отрицательный заряды (рис. VII-16) и наряду с притяжением должно происходить и отталкивание.

Рис. VII-16

Это явление объясняется электростатической индукцией. Когда наэлектризованная палочка (допустим, заряженная положительно, как на рисунке) подносится к незаряженной полоске металлической фольги, она создает вокруг себя электрическое поле.

Металлическая фольга является проводником, а это значит, что в ней есть свободные электроны, которые могут перемещаться по всему объему. Под действием электрического поля палочки эти свободные электроны (отрицательные заряды) притягиваются к положительно заряженной палочке и смещаются к ближайшему к ней краю фольги. В результате на ближней к палочке стороне фольги образуется избыточный отрицательный заряд.

Одновременно на дальнем от палочки краю фольги возникает недостаток электронов, что приводит к появлению там избыточного положительного заряда (образованного ионами кристаллической решетки металла). Таким образом, хотя в целом полоска фольги остается электрически нейтральной, заряды в ней перераспределяются: отрицательные заряды оказываются ближе к палочке, а положительные — дальше.

Теперь на фольгу действуют две основные силы: сила притяжения между положительно заряженной палочкой и индуцированными отрицательными зарядами на ближней стороне фольги, и сила отталкивания между палочкой и индуцированными положительными зарядами на дальней стороне.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: $F \sim \frac{1}{r^2}$. Поскольку отрицательные заряды на фольге находятся ближе к палочке, чем положительные, сила притяжения ($F_{прит}$) будет больше, чем сила отталкивания ($F_{отт}$).

Результирующая сила, действующая на фольгу, является векторной суммой этих сил. Так как $F_{прит} > F_{отт}$, суммарная сила будет направлена в сторону палочки, что и приводит к притяжению легкой полоски фольги.

Ответ: Наэлектризованная палочка притягивает незаряженную металлическую фольгу из-за явления электростатической индукции. Под действием электрического поля палочки в фольге происходит перераспределение свободных зарядов: на ближней к палочке стороне фольги скапливается заряд противоположного знака, а на дальней — одноименного. Сила притяжения между палочкой и зарядами на ближней стороне фольги оказывается больше силы отталкивания между палочкой и зарядами на дальней стороне, так как сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния. В результате результирующая сила направлена в сторону палочки, что и вызывает притяжение.